基于物联网技术的教室智能用电系统设计与实现

赵培君

(信阳农林学院 信息工程学院，河南 信阳 464000)



基于物联网技术的教室智能用电系统设计与实现

赵培君

(信阳农林学院 信息工程学院，河南 信阳 464000)

摘要：为解决当前高校教室用电浪费严重、效率较低的问题，在分析了物联网技术在智能校园、智能家居中广泛应用的基础上，设计了基于物联网的教室智能用电系统。该系统通过物联网的相关技术对教室的照明灯、电风扇、投影仪、音响和空调等进行智能控制，当教室光线充裕、温度适宜和无人学习等情况下，对教室用电设备进行智能控制，提高用电效率，也符合“节能、节电、低碳校园”建设的要求。

关键词：物联网技术；智能校园；智能控制

据调查，目前很多高校的教室、实验室、机房等都是开放式的，全天候为学生们提供学习和实验的地点，也就是说不管教室、实验室、机房用多少电，学校都支付相应的用电费用，这样造成各部门以及个人没有明确的用电责任；同时，由于部分老师、学生节约用电意识淡薄，长时间不关电脑、照明灯、电风扇、空调、投影仪和音响等用电设备已经成为普遍现象，这样就容易造成一些电能的不必要用浪费。合理用电，节约用电，以及将一些废弃能源转化为电能已经成为我国“十二五”规划纲要提出的“节能减排”工作中的重中之重[1]。

1物联网技术

物联网根据全面感知、可靠传递以及智能处理的三大功能需要，可以将实现过程分为感知层、网络层、应用层等三大体系结构[2]。

感知层主要用于识别物体，采集信息。它包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、GPS、传感器、M2M终端、传感器网关等，其功能类似于人体结构中的皮肤和五官。

网络层是物联网的神经中枢和大脑——用于信息的处理和控制指令的发出。网络层作为纽带连接着感知层和应用层，它由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网等组成，负责将感知层获取的信息，安全可靠地传输到应用层，然后根据不同的应用需求进行信息的处理。

应用层是是物联网的接口——用于远程识别、读取和操控。在感知层、网络层对信息的大量收集下汇总、互通、共享、分析、决策等物品信息。它是物联网和用户的窗口，它与行业需求相结合，实现物联网的智能应用[3]。其结构图见图1。

图1物联网系统框图图 2智能用电系统框图

2系统总体设计

感知层由若干感知节点和控制节点组成，感知节点用于对教室、实验室和办公室等用电地点的环境参数进行数据感知和采集；控制节点用于对教室、实验室和办公室等的用电设备电源开关状态进行控制。

网络层由中心协调器、RS485网络、ZigBee无线通信网络、Wifi无线通信网络和以太网组成，负责采集数据和控制指令的控制与处理[4]。

应用层则由智能用电控制系统上位机、管理服务器和客户终端组成，负责对用电的数据进行收集、分析以及发出相应的控制命令。智能用电系统框图如图2所示。

3系统硬件设计

感知层节点由控制节点和传感器节点组成。控制节点包含照明灯控制节点、风扇控制节点、投影仪控制节点、音响控制节点和空调控制节点等；传感器节点主要包含有热释电红外传感器KP506B、光敏传感器HL304HY、温度传感器PT100等。

控制节点主要接收中心协调器的控制指令，通过指令对各种用电设备的的用电情况进行控制；传感器节点主要采集用电数据并将该数据发送给中心协调器。

采用多种组网技术，将不同类型的节点用其最适宜的通信方式进行控制。光敏传感器、红外传感器、温度传感器等采用ZigBee方式；照明灯控制节点、风扇控制节点、音响控制节点采用RS-485串行通信接口方式；空调控制节点、投影仪控制节点等遥控器红外编码，采用WiFi方式连接物联网网关，实现控制[6]。

系统网关主要包括以太网网络模块、RS-485接口模块、ZigBee无线通信模块和WiFi无线通信模块，其中网络模块负责与平台等的数字网络通信，包括通信通道的建立及通信指令的解析，采用有线网络的方式进行接入[6]。

4系统软件设计

本系统利用Microsoft SQL Sever 2010建立数据库管理系统，通过网络层的智能用电管理系统数据库服务器，汇聚由感知层传来的传感器节点的数据信息，将大量数据进行有效的归纳汇总，最终实现智能的分析处理(见图3)，满足数据库管理系统具有数据安全性、完整性、并发性控制以及故障发现和恢复等功能，能够对数据库访问提供高效、灵活的访问方式[7]。

网站运行过程中需要对数据管理系统进行数据访问，本系统采用基于ADO.NET的数据访问技术，实现网站与Microsoft SQL Sever 2010数据库管理系统之间的数据交互。ADO.NET对可扩展标记语言提供全面支持，并且提供全新的非连接数据缓冲模型，这使得其在构建结构松散的、非连接的Web应用程序时有着得天独厚的优势。

图3软件设计流程图

图4软件远程控制界面

5系统测试

系统应用程序采用Browser/Server结构，使用Microsoft Visual Studio 2013进行开发，采用Microsoft的Web服务器Internet Information Server (IIS)，数据库服务器采用Microsoft SQL Sever 2010。对教室、实验室和办公室等用电地点各传感器进行数据实时的用电环境、用电设备的状态等数据收集，通过中心协调器对这些数据进行智能分析、处理和存储。如发现有传感器采集的值偏离了正常范围，则表该传感器节点所在的位置没有用电需求者，即可通过控制节点将用电设备关闭或断电。

6小 结

本文通过物联网技术对教室的所有用电设备进行了组网，利用传感器获取相应的指令信息，进行判断识别，实现对教室、实验室、机房等的用电设备进行智能控制。下一步将基于物联网的智能用电技术进一步推广，使整个校园的用电设备都能实现智能的用电，避免不必要的浪费，为促进 “节能、节电、低碳校园”的建设做出贡献。

参考文献：

[1]国家能源局.国家能源科技“十二五”规划(2011-2015)[S].2011.

[2]刘云浩.物联网导论[M].北京：科学出版社, 2010.

[3]国家电网公司. 智能电网关键设备(系统)研制规划[S].2010.

[4]李东东, 崔龙龙，李顺富，等.家庭智能用电系统研究及只能控制器开发[J].电力系统保护与控制，2013, 41(4) : 123-129.

[5]刘锦, 张岩，张荣辉，等.基于物联网架构的温室环境监测系统[J].河北农业大学学报, 2012, 34(9) : 115-119.

[6]刘学会, 田珍.基于物联网的智能家居安防监控系统设计与实现[J].制造业自动化, 2012, 34(17) : 38-40.

[7]王珊，萨师煊.数据库系统概论[M].北京：高等教育出版社, 2003.

(编辑：严佩峰)

收稿日期：2015-10-25

作者简介：赵培君(1985—)，女，河南信阳人，讲师，硕士，研究方向：故障诊断与容错控制.

中图分类号：TP391

文献标识码：A

文章编号：2095-8978(2016)03-0117-03

Design and Implementation of Intelligent Power System in Classroom Based on Internet of Things

ZHAO Pei-jun

(School of Information Engineering，Xinyang Agriculture and Forestry University, Xinyang 464000, China)

Abstract：In order to solve the current electricity waste and low efficiency at college of classroom, on the analysis of the Internet of things technology widely used in intelligent campus and intelligent household, design an intelligent power system based on Internet of things at college of classroom. The system can intelligently control the lighting, electric fan, projectors, audio and air conditioning through the relevant technology of the Internet of things. When the light is abundant, the temperature is suitable and nobody is learning in the classroom, the intelligent control for electrical equipment in the classroom, can improve the efficiency of electricity, and conform to the "energy saving, power saving, low carbon campus" construction requirements.

Keywords：Internet of things technology; intelligent campus; intelligent control